JP2687425B2 - 光学ヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、記録媒体に情報を光学的に記録する、ある
いはこれから情報を光学的に読み取る光学ヘッド、特に
光源の波長変動に対する許容度の大きい光学ヘッドに関
するものである。

従来の技術 近年、記録媒体から映像や音楽などの情報を光学的に
読み取る光学的再生装置が広く普及している。また、情
報を光学的に記録もできる光学的情報記録再生装置も市
販が始まっている。この光学的情報記録再生装置の光学
ヘッドは、装置を小型にするとともに光量を容易に変調
するために光導体レーザが一般に用いられる。

以下、図面を参照しながら、上述した従来の光学ヘッ
ドの一例について説明する。

第５図は従来の光学ヘッドの概略構成図を示すもので
ある。第５図において、１は記録媒体である。２は半導
体レーザで発射光を放射する。５はコリメータレンズで
上記発散光を平行光束にする。３は対物レンズで、上記
平行光束を収束して記録媒体１上に光スポットを形成す
る。４はビームスプリッタで、対物レンズ３によって集
光される記録媒体１からの戻り光を上記平行光束から分
離して取り出す。６は検出レンズ、７は光電検出器で、
検出レンズ６はビームスプリッタ４によって分離して取
り出された戻り光を光電検出器７上に収束する。８は焦
点誤差検出手段で、光電検出器７の異なる受光部分に対
応する複数の出力信号の差異によって焦点誤差を検出す
る。９はレーザ駆動回路で、記録信号に応じて半導体レ
ーザ２の駆動電流を制御する。

以上のように構成された光学ヘッドについて、以下そ
の動作の説明をする。

まず記録媒体から情報を読み取る再生時には、半導体
レーザ２は一定強度の発散光を放射し、コリメータレン
ズ５はこの発散光を平行光束にする。対物レンズ３はこ
の平行光束を収束して記録媒体１上に光スポットを形成
する。この光スポットは記録媒体の情報トラックを走査
し、情報トラックに記録されている情報に応じて光スポ
ットからの反射光量が変調される。この記録情報によっ
て変調を受けた反射光は対物レンズ３によって集光され
て戻り光束となり、上記平行光束の光路を逆にたどる。
この戻り光はビームスプリッタ４によって上記平行光束
から分離して取り出される。分離された戻り光束は検出
レンズ６によって光電検出器７に集光される。焦点誤差
検出手段８はこの光電検出器７から出力される複数の出
力信号の差異から光スポットの焦点誤差を検出する。ま
た、光電検出器７からの出力からの読み取り情報も取り
出すことができる。

一方、情報を記録するときには、記録信号に応じてレ
ーザ駆動回路９は半導体レーザ２の駆動電流を変調す
る。この駆動電流の変調に応じて半導体レーザ２の放射
光量が変化し、記録媒体に上記記録信号に応じた変化が
与えられる（例えば、特開昭49−131127号公報）。

発明が解決しようとする課題 しかしながら上記のような構成では、コリメータレン
ズ５と検出レンズ６との間の焦点距離と波長分散の整合
性が配慮されていなかったため、再生時と記録時とで半
導体レーザ２の平均出力光量が大幅に変化して波長が変
動すると、焦点誤差検出手段による焦点誤差検出のオフ
セットが変動し、光スポットの焦点制御に残存誤差が生
じるという問題点を有していた。

本発明は上記問題点に鑑み、再生，記録あるいは消去
などのモード変化に伴って波長が変化しても光スポット
の収束状態を安定に制御し得る光学ヘッドを提供するも
のである。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するために、本発明の光学ヘッドは、
半導体レーザから放射される発散光を平行光束にするコ
リメータレンズと、戻り光を光電検出器上に収束する検
出レンズ系との間の焦点距離と波長分散の関係を、コリ
メータレンズの焦点距離をf_c,検出レンズ系の焦点距離
をf_d,対物レンズの焦点距離をf_o,対物レンズの開口数を
NA,半導体レーザの放射光の再生時と記録時の平均波長
をλ，再生時と記録時の波長変化によるコリメータレン
ズの焦点距離の変化率をη_ｃとするとき、上記波長変化
による検出レンズ系の焦点距離の変化率η_ｄが、 η_ｃ−Ａ≦（f_c/f_d）・η_ｄ≦η_ｃ＋Ａ ただし、 を満足するように構成したものである。

作用 本発明は上記した構成によって、記録時と再生時とで
半導体レーザの平均出力光量が変化して波長が変化して
も、コリメータレンズと検出レンズ系とでその影響を補
償し合って、常に正確な焦点誤差検出を行い得ることと
なる。

以下その理由をさらに詳しく説明する。一般に光学ヘ
ッドは、半導体レーザの実効的な点光源の共役像として
の光スポットを記録媒体上に形成する。さらに検出光学
手段は、戻り光に非点収差の付与などの必要な処理を施
した後に本質的に上記光スポットの共役像と見なし得る
像を光電検出器上に結像する。すなわち、光源と光スポ
ットとの間に共役関係が成立するとき、光スポットと光
電検出器との間にも共役関係が成立するように構成す
る。この条件が維持されれば、焦点誤差の検出は常に正
確に行われる。したがって、半導体レーザの波長変化に
伴う光スポットと光電検出器上の像との間の共役条件か
らのずれを小さくすることができれば、焦点誤差検出の
誤差を小さくすることができる。

コリメータレンズの焦点距離をf_c,検出レンズ系の焦
点距離をf_dとし、これらは波長変化によりそれぞれf_c・
（１＋η_ｃ）およびf_d・（１＋η_ｄ）に変化するものと
する。当初、半導体レーザからの発散光はコリメータレ
ンズによって完全な平行光束とされるので、半導体レー
ザの発光点の像は無限遠に形成されることとなる。すな
わち、半導体レーザの発光点とコリメータレンズの主点
までの距離はコリメータレンズの焦点距離f_cに等しくな
るように設置される。一方、検出光学系による光電検出
器の像も無限遠に形成されなければならないので、光電
検出器と検出レンズ系の主点との距離は、検出レンズ系
の焦点距離f_dに等しく設置される。波長が変化しても、
コリメータレンズによる光源の像までの距離と、検出レ
ンズ系による光電検出器の像までの距離が等しくなれ
ば、光源と光スポットとの位置関係が共役関係のとき、
光スポットと光電検出器の位置関係も共役関係となる。
その条件は、コリメータレンズの焦点距離変化による光
源の像位置の移動と、検出レンズ系の焦点距離の変化に
よる光電検出器の像位置の変動とが等しくなることであ
るので、検出レンズ系の焦点距離の変化がコリメータレ
ンズの焦点距離の変化に比べて、光源から光電検出器ま
での縦倍率だけ大きけれはよいことになる。すなわち、 η_d/η_ｃ＝（f_d/f_c）^２ ……（１） となることである。

半導体レーザの発振波長は、再生時と記録時とで最大
10nm程度変化することがある。コリメータレンズおよび
検出レンズ系を色消しの構成にしておけば、この程度の
波長変動では問題にならない。ところが、色消しにする
とレンズの構成枚数が増加し、製造コストが上昇する。
製造を容易にするためにはレンズの構成枚数は少ない方
がよく，できれば単玉が望ましい。この場合には色消し
は不可能となる。コリメータレンズに色消しを施さなく
ても、光スポットの残存焦点誤差量が許容量以下であれ
ば差し支えない。この残存焦点誤差の許容量は、対物レ
ンズの開口数をNA,波長をλとするとき、λ／｛２・（N
A）^２｝と定義される焦点深度の３分の１程度であるこ
とが実験的に確認された。すなわち、この波長変動によ
る焦点誤差検出のオフセットに起因する記録媒体上での
焦点ずれ量は、 であればよい。

コリメータレンズの焦点距離をf_c,その波長変化によ
る変化率をη_ｃとすれば、波長変化による焦点距離のf_c
の変化ε_ｃは、 ε_ｃ＝f_c・η_ｃ ……（３） となる。一方、検出レンズ系の焦点距離をf_d,その波長
変化による変化率η_ｄとすれば、波長変化による焦点距
離f_dの変化ε_ｄは、 ε_ｄ＝f_d・η_ｄ ……（４） となる。この焦点距離と変化ε_ｄに光電検出器から光源
までの縦倍率を乗じた値だけ、上記コリメータレンズの
焦点距離変化ε_ｃは補償されることになり、その差が焦
点誤差検出のオフセット変動となる。したがって、焦点
誤差検出のオフセット変動を光源位置のずれに換算した
値ε_ｅは、 ε_ｅ＝ε_ｃ−ε_ｄ・（f_c/f_d）^２ ＝f_c・｛η_ｃ−（f_c/f_d）・η_ｄ｝ ……（５） 対物レンズの焦点距離をf_oとするとき、これを記録媒体
上の残存焦点誤差量ε_ｓに換算すると、 ε_ｓ＝（f_o ²/f_c）・｛η_ｃ−（f_c/f_d）・η_ｄ｝ ……（６） となる。したがって、（２），（６）式より、 η_ｃ−Ａ≦（f_c/f_d）・η_ｄ≦η_ｃ＋Ａ ……（７） ただし、 を満足すれば、ε_ｓを許容範囲とすることができる。さ
らに、（１）式がほぼ満足されれば波長変動による焦点
誤差検出のオフセット変動はほとんど発生せず、理想的
な焦点誤差検出が可能となる。

実施例 以下本発明の一実施例の光学ヘッドについて、図面を
参照しながら説明する。

第１図は本発明の第１の実施例における光学ヘッドの
概略構成図を示すものである。第１図において、１は記
録媒体である。２は半導体レーザで、発散光を放射す
る。15はコリメータレンズで、上記発散光を平行光束に
する。３は対物レンズで、上記平行光束を収束して記録
媒体１上に光スポットを形成する。４はビームスプリッ
タで、対物レンズ３によって分離して取り出す。16は非
点収差を含んだ検出レンズ、７は光電検出器で、検出レ
ンズ16はビームスプリッタ４によって分離して取り出さ
れた戻り光に非点収差を付与するとともに光電検出器７
上に収束する。上記ビームスプリッタ４および検出レン
ズ16は検出光学手段を構成する。８は焦点誤差検出回路
で、光電検出器７の異なる部分に対応する複数の出力信
号の差異によって焦点誤差を検出する。９はレーザ駆動
回路で、記録信号に応じて半導体レーザ２の駆動電流を
制御する。

以上のように構成された光学ヘッドについて、以下第
１図および第２図を用いてその動作を説明する。

まず、コリメータレンズ15および検出レンズ16はそれ
ぞれ従来例のコリメータレンズ５および検出レンズ６と
基本的には同じ機能を有し、従来例と同じ番号を付した
他の構成要素は従来例と全く同じもので、その機能も同
じである。本実施例における各要素の仕様は、 コリメータレンズの焦点距離:8mm コリメータレンズの硝材:BK7 対物レンズの焦点距離:3.9mm 対物レンズの開口数:0.55 半導体レーザの発振波長：再生時790nm/記録時800nm である。コリメータレンズ15の硝材として用いたBK7の
屈折率は、 波長790nmのとき 1.510516 波長800nmのとき 1.510316 である。このとき、検出レンズ16の焦点距離を決めれ
ば、（７）式から、検出レンズ16に使用する硝材におけ
る、波長790nmと800nmとの間の焦点距離の変化率の許容
範囲を得ることができる。第２図は、検出レンズ16の距
離を変数として、検出レンズ16に使用する硝材における
焦点距離の変化率の許容範囲を示したものである。図の
斜線部分が許容範囲である。実線20は、焦点誤差検出に
オフセットを生じない理想的な値を示したものである。
破線21は硝材としてBK7を用いた場合、破線22は硝材と
してSF8を用いた場合をそれぞれ示す。BK7は標準的な波
長分散を示し、SF8は比較的大きな波長分散を示す硝材
である。次に、具体的な検出レンズ16の設計例を示し、
そのときの波長変化に伴うオフセット変化量と、その可
否を第１表に示す。

本実施例では、光スポットの焦点誤差は約0.4μｍ以
下にする必要があり、設計例２は適用不可で、他はすべ
て適用可能である。設計例２だけが許容範囲外となるこ
とは、第２図からも読み取ることができる。

以上のように本実施例によれば、検出レンズを適当に
設計することにより、焦点誤差検出のオフセット変動
を、十分小さくすることができる。

以下本発明の第２の実施例について図面を参照しなが
ら説明する。

第３図は本発明の第２の実施例を示す光学ヘッドの概
略構成図である。同図において、１は記録媒体、２は半
導体レーザ、３は対物レンズ、４はビームスプリッタ、
９はレーザ駆動回路でこれらは第１図の構成と同様なも
のである。第１図と異なるのは、コリメータレンズ35の
仕様と、検出レンズ36が非点収差を含まない通常の球面
レンズから成る点と、検出光学手段がナイフエッジ30を
含む点と、上記検出光学手段の差異に伴って光電検出器
37および焦点誤差検出回路38の構成が異なる点である。

上記のように構成された光学ヘッドについて以下その
動作を説明する。

まず、戻り光がビームスプリッタ４によって平行光束
から分離して取り出されるところまでは従来例と同じで
ある。分離された戻り光は検出レンズ36によって光電検
出器37上に収束される。このとき、ナイフエッジ30によ
って戻り光の一部を遮って非対象性を付与する。光電検
出器37は、このように非対象性が付与された戻り光から
焦点誤差を検出するように複数の部分に分割されてい
る。焦点誤差検出回路38はこのように分割された光電検
出器37からの複数の出力信号から差動的に焦点誤差を検
出することができる（詳しくは、特開昭52−42742号公
報参照）。

本実施例におけるコリメータレンズ５の仕様は以下の
通りである。

焦点距離:8mm 硝材：フッ化カルシウムを主成分とする低分散ガラス このコリメータレンズ５の硝材として用いた低分散ガ
ラスの屈折率は、 波長790nmのとき 1.430955 波長800nmのとき 1.430843 である。このとき、第１の実施例の同様に、（７）式か
ら、検出レンズ６に使用する硝材における、波長790nm
と800nmとの間の焦点距離の変化率の許容範囲を求める
と、第４図の斜線部分となる。実線23は、焦点誤差検出
にオフセットを生じない理想的な値を示したものであ
る。次に具体的な検出レンズ36の設計例を示し、そのと
きの波長変化に伴うオフセット変化量と、その可否を第
２表に示す。

本実施例においても、対物レンズ３の仕様は第１の実
施例と同じであるので、焦点誤差の許容範囲はやはり約
0.4μｍである。第４図と第２表から明らかなように、
コリメータレンズ35にフッ化カルシウムを主成分とする
硝材を用いた本実施例では、検出レンズ36の設計の自由
度を極めて広くすることができる。通常、光電検出器上
の像が小さくなり過ぎず、かつ十分な検出感度を得るた
めに、検出レンズ系の焦点距離はコリメータレンズより
も長めに設計され、好ましくは20mm程度以上であるの
で、実用的な設計の範囲はほとんどカバーしているとい
える。特に、硝材としてSF8を使用すると、20mm程度の
好適な焦点距離で、波長変化による焦点誤差検出のオフ
セット変動がほとんどない理想的な状態とすることがで
きる。

以上のように、コリメータレンズの主要なレンズの硝
材を、フッ化カルシウムを主成分とする低分散ガラスと
することにより、検出レンズ系の設計の自由度を大幅に
広くすることができる。

なお、第１の実施例と第２の実施例とで、異なる焦点
誤差検出の方法を用いたが、実質的に光スポットと光電
検出器上の像との間の共役関係からのずれから焦点誤差
を検出する方法であれば、どのような方法であっても本
発明は有効である。

発明の効果 以上のように本発明は、半導体レーザから放射される
発散光を平行光束にするコリメータレンズと、この平行
光束を収束して記録媒体上に光スポットを形成する対物
レンズと、この光スポットからの戻り光を光電検出器上
に結像する検出レンズ系とを具備し、上記コリメータレ
ンズと検出レンズ系の波長分散による焦点距離の変化量
を上記対物レンズに関連して特定することにより、半導
体レーザからの出力光の波長が変動しても焦点誤差検出
のオフセット変動を所定量以下に抑圧できるという効果
が得られる。

さらに、コリメータレンズの主要なレンズの硝材を、
フッ化カルシウムを主成分とする低分散ガラスとするこ
とにより、検出レンズ系の設計の自由度を広くすること
ができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例における光学ヘッドの概
略構成図、第２図は第１の実施例における設計の許容範
囲を示すグラフ、第３図は本発明の第２の実施例におけ
る光学ヘッドの概略構成図、第４図は第２の実施例にお
ける設計の許容範囲を示すグラフ、第５図は従来例にお
ける光学ヘッドの概略構成図である。 ２……半導体レーザ、３……対物レンズ、15,35……コ
リメータレンズ、16,36……検出レンズ。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】記録すべき信号に応じて発光光量が変化す
   る半導体レーザと、この半導体レーザから放射される発
   散光を平行光束にするコリメータレンズと、この平行光
   束を収束して記録媒体上に焦点を結んで光スポットを形
   成する対物レンズと、この光スポットからの戻り光を光
   電検出器に導いてこの光電検出器上に検出像を結像する
   検出光学手段と、上記検出像の光量分布の変化によって
   生起される光電検出器からの複数の出力信号の差動的変
   化から上記光スポットの焦点誤差を検出する焦点誤差検
   出手段とを具備し、上記光学検出手段は、上記戻り光を
   コリメータレンズと対物レンズとの間で上記平行光束か
   ら分離して取り出す光分離手段と、この光分離手段によ
   って取り出された戻り光を上記光電検出器上に結像する
   検出レンズ系を含み、さらに、コリメータレンズの焦点
   距離をf_c,検出レンズ系の焦点距離をf_d,対物レンズの焦
   点距離をf_o,対物レンズの開口数をNA,半導体レーザの放
   射光の記録時と再生時の平均波長をλ，記録時と再生時
   の波長変化によるコリメータレンズの焦点距離の変化率
   をη_ｃとするとき、上記波長変化による検出レンズ系の
   焦点距離の変化率η_ｄが、 η_ｃ−Ａ≦（f_c/f_d）・η_ｄ≦η_ｃ＋Ａ ただし、 を満足するように構成して成ることを特徴とする光学ヘ
   ッド。
2. 【請求項２】コリメータレンズは、正パワーを有する主
   たるレンズが、フッ化カルシウムを主成分とする硝材か
   ら構成されて成ることを特徴とする請求項（１）記載の
   光学ヘッド。